CN115993836A - 一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统。本发明所提供的方法包括以下步骤：S101、建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；S102、控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。本发明的方法在视线方向上实现时间协同和在视线法向方向上实现空间协同，从而能够提高突防能力。

Description

一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，具体涉及一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统。

背景技术

多飞行器协同突破是借助通信系统将多个飞行器构成一个网络，通过信息共享实现配合与协作，共同完成突破或攻击任务。

目前，实现同时攻击的制导方法主要可分为两种：

(1)时间协同，即多飞行器通过通信网络，相互协调各自相对目标的距离和速度，以使得各飞行器到目标的打击时刻趋于一致。

(2)空间协同，即多飞行器通过通信网络，相互协调各自到目标的视线，从而使得多飞行器从期望的视线相对方向同时对目标进行打击。

由于采用通信网络实现飞行器之间的信息传递，而在实际情况中通信网络的通信延迟是普遍存在且不可避免的，通信延迟可能使飞行器无法同时击中目标，甚至危及系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统。

第一方面，本发明提出的一种基于通信延迟的分布式协同制导方法，其包括以下步骤：

S101、建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；

S102、控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

第二方面，本发明提出的一种基于通信延迟的分布式协同制导系统，其包括：

模型建立模块，其用于建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；

协同制导模块，其用于控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

本发明提出的一种基于通信延迟的分布式协同制导方法和系统所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的方法首先建立飞行器-目标的相对运动模型，将协同制导问题转化为具有非线性动力学特性的多智能体一致性问题，从而简化了计算过程；

(2)本发明提供的方法基于多智能体一致性理论，在视线方向获取时间协同制导律，使在允许最大通信延迟内，所有飞行器的打击时刻达到一致，实现时间协同；在视线法向方向获取空间协同制导律，使在允许最大通信延迟内，所有飞行器的相对视线角收敛到期望值，且视线角速率的渐进收敛到零，实现空间协同；

(3)本发明提供的方法通过调整制导参数使相对视线角、视线角速率具有合适的收敛速度，能够满足各种协同制导任务的需求；

(4)本发明提供的方法能够通过同时攻击目标，实现对拦截飞行器的突破，从而提高突防能力。

附图说明

图1为本发明一种基于通信延迟的分布式协同制导方法的流程示意图；

图2为本发明多飞行器与目标几何关系的示意图；

图3为本发明一种基于通信延迟的分布式协同制导系统的结构示意图；

图4为本发明实施例1中4架飞行器之间的通信拓扑关系示意图；

图5为本发明实施例1中二维平面内4架飞行器协同攻击单个目标的运动轨迹示意图；

图6为本发明实施例1中4架飞行器与目标的相对距离变化示意图；

图7为本发明实施例1中4架飞行器与目标的径向速度变化示意图；

图8为本发明实施例1中4架飞行器相对视线角误差变化示意图；

图9为本发明实施例1中4架飞行器与目标的视线角速率变化示意图；

图10为本发明实施例1中4架飞行器视线方向加速度指令示意图；

图11为本发明实施例1中4架飞行器视线法向方向上空间协同制导律示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

空间协同的研究意义在于：①使多飞行器能够散开飞行，避免飞行器间的相互碰撞；②可使多飞行器从多个方向进行攻击，从而分散目标近程防御武器系统的火力；③可使多飞行器对目标进行协同探测，进而提高探测精度；④相比于传统的带视线角约束的制导律，带空间协同的制导律所需的总控制能量更小。因此，空间协同可以显著增强飞行器的突防能力，提高飞行器的命中概率和作战效能。目前，国内外针对空间协同的飞行器的打击时刻需要在击中目标前达到一致，相对视线角也需要在击中目标前收敛到期望值。

但是飞行器间通信网络的通信延迟是普遍存在且不可避免的，通信延迟可能使飞行器无法同时击中目标，甚至危及系统的稳定性。

针对上述问题，本发明提供一种基于通信延迟的分布式协同制导方法。该方法主要包括：首先，建立平面内的飞行器-目标相对运动模型；然后，基于多智能体一致性理论，在视线方向获取时间协同制导律，使在允许最大通信延迟内，所有飞行器的打击时刻达到一致；在视线法向方向获取空间协同制导律，使在允许最大通信延迟内，所有飞行器的相对视线角收敛到期望值，且视线角速率的渐进收敛到零。该方法能够保证多飞行器同时进攻目标，提高命中精度和系统鲁棒性。

具体地，第一方面，本发明提供的一种基于通信延迟的分布式协同制导方法，主要可以包括以下步骤：

S101、建立多飞行器与目标之间的相对运动模型。

在本发明采用运动学分析方法进行分析，基于以下假设：

(1)飞行器和目标为理想质点模型；

(2)飞行器的速度是可以调整的；

(3)与制导回路动力学相比，导引头和自动驾驶仪的响应速度快，在制导律设计过程中可以忽略。

针对多飞行器在平面内从期望弹目视线相对方向同时打击固定目标问题，多飞行器与目标的导引几何关系如图2所示。其中，OX_IY_I为惯性参考坐标系。

由图2可以得到，多飞行器与目标之间的相对运动模型可以通过式一表示：

其中，i表示第i架飞行器，i＝1,2,…,n，n为飞行器总数；T表示目标；r_i表示飞行器i与目标之间的距离；q_i表示飞行器i的视线角；V_i、γ_i和a_i分别表示飞行器i的速度、弹道偏角和法向加速度；a_vi为V_i的加速度。

经研究发现，通信延迟与距离有关，飞行器与目标之间距离较远时，飞行器间的通信延迟会比较大；飞行器与目标逐渐接近时，飞行器间的通信延迟也会逐渐降低。

因此，通过对时间协同制导律以及空间协同制导律进行通信延迟约束，能够提升对多飞行器之间的协同制导。

具体地，通过对飞行器的制导律在视线方向上的分量进行设置和约束，使得在允许最大通信延迟内，多飞行器能够同时到达目标位置，实现多飞行器的时间协同；通过对飞行器的制导律在视线法向方向上的分量进行设置和约束，使得在允许最大通信延迟内，多飞行器的相对视线角收敛于期望值，多飞行器以期望相对视线角方向击中目标，实现多飞行器的空间协同。

S102、控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

在本发明中，设计中间变量，通过下式表示：

其中，x_1i、x_2i、x_3i、x_4i为飞行器i的中间变量；σ_id为飞行器i与视线角最小的飞行器之间的期望相对视线角，并且有σ_1d＝0,σ_2d,σ_3d,…,σ_nd∈(0,π]。特别的，σ_id均不相等，以防止飞行器之间的碰撞问题。

飞行器的制导律可以通过下式表示：

其中，a_ri为飞行器i在视线方向的加速度指令；a_qi为飞行器i在视线法向方向的加速度指令。

进一步地，a_ri、a_qi可以通过式四表示：

在本发明中，a_ri的目的为通过在允许最大通信延迟内控制r_i及

达到一致且

a_qi的目的为通过在允许最大通信延迟内控制所有飞行器的相对视线角误差σ_ie和视线角速率

收敛到零。其中飞行器的相对视线角误差σ_ie＝σ_i-σ_id＝q_i-q₁-σ_id，其中σ_i表示飞行器i与视线角最小的飞行器的弹目视线间的夹角(即相对视线角)；q₁表示所有飞行器中的最小视线角。

由此可见，协同制导最终可以转化为：

其中，x_1j、x_2j、x_3j分别为对应的飞行器j的中间变量。

也就是，将协同制导问题转化为具有非线性动力学特性的多智能体系统一致性问题。

在本发明中，根据飞行器的制导律在视线方向上的分量和飞行器间的通信延迟，获取时间协同制导律。

也就是说，时间协同制导律使得多飞行器的攻击时间趋于一致。t_goi表示飞行器i的剩余飞行时间，其中

具体地，时间协同制导律可以通过式五表示：

其中，α₁和α₂为常数，并且α₁＞0，α₂＞0，优选α₁、α₂为1～5。

经研究发现，α₁、α₂越大，所有飞行器剩余飞行时间收敛到一致的速度越快，但同时视线方向上允许最大通信延迟的上界会变小，综合考虑收敛速度和允许最大通信延迟的上界，α₁、α₂优选取值为1～5。

x_1j、x_2j分别为对应的飞行器j的中间变量；

b_ij表示飞行器i、j之间能否进行信息交流，如果信息能够从飞行器i到飞行器j时b_ij＝1，否则b_ij＝0；i≠j；

t表示当前时刻；τ表示飞行器i、j之间信息交换时的实际通信延迟。

在式五中，a_ri的第一项用于补偿系统的非线性特征，方括号中的两项分别使x_1i和x_2i渐近收敛到一致。

在本发明中，根据飞行器的制导律在视线法向方向上的分量和飞行器间的通信延迟，获取空间协同制导律。

也就是说，空间协同制导律控制所有飞行器的相对视线角误差σ_ie和视线角速率

收敛到零。

具体地，空间协同制导律可以通过式六表示：

其中，β表示常数，且β＞0，优选β为1～4。

经研究发现，β越大，相对视线角误差σ_ie和视线角速率

收敛到零速度越快，但同时视线法向方向上允许最大通信延迟的上界会变小，综合考虑收敛速度和允许最大通信延迟的上界，β优选取值为1～4。

在式六中，a_qi的第一项用于补偿系统的非线性特征，方括号内第一项用于使x_4i渐进收敛到零，第二项用于使x_3i渐进达成一致性。

在本发明中，通过允许最大通信延迟约束实际通信延迟，其中将视线方向上允许最大通信延迟的上界与视线法向方向上允许最大通信延迟的上界进行比较，将较小的一者作为允许最大通信延迟。

也就是，控制实际通信延迟τ满足τ∈(0,τ^sup)，其中

表示视线方向上允许最大通信延迟的上界；

表示视线法向方向上允许最大通信延迟的上界，从而保证飞行器的制导律在视线方向和视线法向方向的稳定性。

其中，视线方向上允许最大通信延迟的上界

可以通过式七表示：

其中，λ_max1表示时间协同制导律的最大特征值，其可以通过将时间协同制导律转化为特征方程求得。

其中，视线法向方向上允许最大通信延迟的上界

可以通过式八表示：

其中，λ_max2表示空间协同制导律的最大特征值，其可以通过将空间协同制导律转化为特征方程求得。

将时间协同制导律转化成矩阵形式，即

η＝(x₁₁,x₂₁,x₁₂,x₂₂,...,x_1n,x_2n)^T，I_n为n维单位矩阵；

为克罗内克积；L表示拉普拉斯矩阵，定义图G对应的拉普拉斯矩阵为L＝[l_ij]∈R^n×n，其中矩阵的元素为

具体地，时间协同制导律转化的特征方程可以通过式九表示：

其中，I_2n为2n维单位矩阵；s₁表示复变量；λ_m1表示特征值；τ_r表示视线方向上允许最大通信延迟；

在本发明中，为了保证时间协同制导律在存在通信延迟的情况下稳定，式九特征方程的所有根都必须严格位于左半s₁平面。因为λ₁₁＝0，所以f(s₁)＝0有一个二重零根。从而将式九进行进一步简化，即

λ_m1,m＝2,…,n。

为了得到视线方向上允许最大通信延迟τ_r，在上式可以转化为：

其中s₁＝j₁ω₁；

即，

从而得到特征值λ_m1下的视线方向上允许最大通信延迟τ_r的表达式(即将式七中λ_max1变为λ_m1)，将λ_m1设置为最大λ_max1，将λ_max1带入τ_r的表达式，就能够得到如式七表示的视线方向上允许最大通信延迟的上界。

将空间协同制导律转化成矩阵形式，即

ξ＝(x₃₁,x₄₁,x₃₂,x₄₂,...,x_3n,x_4n)^T。

具体地，空间协同制导律转化的特征方程可以通过式十表示：

其中，

s₂表示复变量；λ_m2表示特征值；τ_q表示视线法向方向上允许最大通信延迟。

在本发明中，为了保证空间协同制导律在存在通信延迟的情况下稳定，式十特征方程的所有根都必须严格位于左半s₂平面，即对于所有λ_m2均严格位于左半s₂平面。

为了得到视线法向方向上允许最大通信延迟τ_q，将上式转化为

其中s₂＝j₂ω₂

即，

从而得到特征值λ_m2下的视线法向方向上允许最大通信延迟τ_q的表达式(即将式八中λ_max2变为λ_m2)，将λ_m2设置为最大λ_max2，将λ_max2带入τ_q的表达式，就能够得到如式八表示的视线法向方向上允许最大通信延迟的上界。

根据本发明，多飞行器在不同位置发射后，飞行器开始进行制导控制：具体地，飞行器通过机载传感器获取各自的弹目视线角、飞行器与目标相对距离、飞行器速度、飞行姿态、加速度等信息，并将获取到的信息通过通信传递至其它飞行器，飞行器获取信息后，按照上述设置制导律分量解算，从而获取各自的过载指令，进而根据过载指令改变各自的飞行轨迹，实现以期望的攻击时间从不同方向打击目标的效果。

根据本发明，多飞行器能够以期望的相对视线方向同时击中目标，且过载在可用过载之内，因而具有一定的有效性。

第二方面，本发明还提供了一种基于通信延迟的分布式协同制导系统。

具体地，如图3所示，该系统主要包括：

模型建立模块301，其用于建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；

协同制导模块302，其用于控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

本发明提供的基于通信延迟的分布式协同制导系统，可用于执行上述第一方面描述的一种基于通信延迟的分布式协同制导方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

优选地，本发明一种基于通信延迟的分布式协同制导系统中各个模块可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中。

软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储介质中。示范性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。

处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array，简称：FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合等。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。在替代方案中，存储介质可与处理器成一体式。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储介质可作为离散组件驻留在用户终端中。

实施例

实施例1

设置仿真实验，设置4架飞行器协同对目标进行攻击。其中，目标的位置设置为(8000,0)m，飞行器的初始参数如表一所示。

表一

飞行器发射后，4架飞行器之间的通信拓扑如图4所示。

4架飞行器与目标之间的相对运动模型通过式一表示：

其中，i表示第i架飞行器，i＝1,2,3,4；r_i表示飞行器i与目标之间的距离；q_i表示飞行器i的视线角；V_i、γ_i和a_i分别表示飞行器i的速度、弹道偏角和法向加速度；a_vi为V_i的加速度。

设计中间变量，通过下式表示：

其中，x_1i、x_2i、x_3i、x_4i为飞行器i的中间变量；σ_id为飞行器i与视线角最小的飞行器之间的期望相对视线角，并且有σ_1d＝0,σ_2d,σ_3d,…,σ_nd∈(0,π]，且σ_id均不相等。

飞行器的制导律可以通过下式表示：

其中，a_ri为飞行器i在视线方向的加速度指令；a_qi为飞行器i在视线法向方向的加速度指令。

根据飞行器的制导律在视线方向上的分量和飞行器间的通信延迟，获取时间协同制导律。

具体地，时间协同制导律通过式五表示：

其中，α₁＝1.75，α₂＝2；x_1j、x_2j分别为对应的飞行器j的中间变量；

b_ij表示飞行器i、j之间能否进行信息交流，如果信息能够从飞行器i到飞行器j时b_ij＝1，否则b_ij＝0；i≠j；

t表示当前时刻；τ表示飞行器i、j之间信息交换时的实际通信延迟。

根据飞行器的制导律在视线法向方向上的分量和飞行器间的通信延迟，获取空间协同制导律。

具体地，空间协同制导律通过式六表示：

其中，β＝3；

实际通信延迟τ满足τ∈(0,τ^sup)，其中

表示视线方向上允许最大通信延迟的上界；

表示视线法向方向上允许最大通信延迟的上界。

通过式七表示：

其中，λ_max1表示时间协同制导律的最大特征值，其通过将时间协同制导律转化为特征方程求得。

时间协同制导律转化的特征方程通过式九表示：

其中，I_2n为2n维单位矩阵；I_n为n维单位矩阵；L表示拉普拉斯矩阵，定义图G对应的拉普拉斯矩阵为L＝[l_ij]∈R^n×n，其中矩阵的元素为

为克罗内克积；s₁表示复变量；

其中，

通过式八表示：

其中，λ_max2表示空间协同制导律的最大特征值，其通过将空间协同制导律转化为特征方程求得。

空间协同制导律转化的特征方程通过式十表示：

其中，

s₂表示复变量。

根据式七至式十，计算出

设置时变时延为τ(t)＝0.1+0.1cos(t)s，保证4架飞行器完成协同制导目标。具体仿真结果如5～11所示。

如图5所示，4架飞行器能够在协同制导律控制下，以期望相对视线方向攻击目标，完成协同制导任务。

从图6和图7可以看出，本实施例1的协同制导律实现了同时攻击。

从图8和图9可以看出，相对视线角误差和视线角速率都能够收敛到零，所以4架飞行器都能以期望相对视线方向命中目标。

从图10和图11可以看出，在初始阶段需要较大的飞行器加速度指令来使得所有飞行器的状态趋于一致，并且在14s后视线方向上时间协同制导指令收敛为零、15s后视线法向方向上空间协同制导指令收敛为零。这说明，最终可以实现稳定的拦截。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；

S102、控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

2.根据权利要求1所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，步骤S101中，所述相对运动模型通过式一表示：

其中，i表示第i架飞行器，i＝1,2,…,n，n为飞行器总数；r_i表示飞行器i与目标之间的距离；q_i表示飞行器i的视线角；V_i、γ_i和a_i分别表示飞行器i的速度、弹道偏角和法向加速度；a_vi为V_i的加速度。

3.根据权利要求2所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，步骤S102中，

所述时间协同制导律通过式五表示：

所述空间协同制导律通过式六表示：

其中，x_1i、x_2i、x_3i、x_4i为飞行器i的中间变量；a_ri为飞行器i在视线方向的加速度指令；a_qi为飞行器i在视线法向方向的加速度指令；x_1j、x_2j、x_3j分别为对应的飞行器j的中间变量；α₁、α₂、β为常数，并且α₁＞0，α₂＞0，β＞0；

b_ij表示飞行器i、j之间能否进行信息交流，如果信息能够从飞行器i到飞行器j时b_ij＝1，否则b_ij＝0；i≠j；

t表示当前时刻；τ表示实际通信延迟。

4.根据权利要求3所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，x_1i、x_2i、x_3i、x_4i通过式二表示：

其中，σ_id为飞行器i与视线角最小的飞行器之间期望相对视线角。

5.根据权利要求3所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，通过允许最大通信延迟约束实际通信延迟，其中将视线方向上允许最大通信延迟的上界与视线法向方向上允许最大通信延迟的上界进行比较，将较小的一者作为允许最大通信延迟。

6.根据权利要求5所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，所述视线方向上允许最大通信延迟的上界通过式七表示：

其中，

表示视线方向上允许最大通信延迟的上界；λ_max1表示时间协同制导律的最大特征值，其通过将时间协同制导律转化为特征方程求得。

7.根据权利要求6所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，所述时间协同制导律转化的特征方程通过式九表示：

其中，I_2n为2n维单位矩阵；I_n为n维单位矩阵；L表示拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积；

s₁表示复变量；λ_m1表示特征值；τ_r表示视线方向上允许最大通信延迟。

8.根据权利要求5所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，

所述视线法向方向上允许最大通信延迟的上界通过式八表示：

其中，

表示视线法向方向上允许最大通信延迟的上界；λ_max2表示空间协同制导律的最大特征值，其通过将空间协同制导律转化为特征方程求得。

9.根据权利要求8所述的基于通信延迟的分布式协同制导方法，其特征在于，

空间协同制导律转化的特征方程通过式十表示：

其中，I_2n为2n维单位矩阵；I_n为n维单位矩阵；L表示拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积；

s₂表示复变量；λ_m2表示特征值。

10.一种基于通信延迟的分布式协同制导系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，其用于建立多飞行器与目标之间的相对运动模型；

协同制导模块，其用于控制各飞行器在视线方向上执行时间协同制导律，以及在视线法向方向上执行空间协同制导律，从而使多飞行器协同制导目标。

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